基于LoRa通信的城市河道污水排放監測系統設計

柯佩佩 劉廣偉 程淑偉 吳春玲 吳亞斌 馮蕾

摘 要：為解決傳統河道污水排放監測方式中存在的弊端，文中提出了基于LoRa通信的城市河道污水排放監測系統。采用LoRa協議實現傳感器節點與LoRaWAN網關之間的數據傳輸及命令控制，通過網關將數據發送給云端數據服務器，監測中心Web客戶端從云端調取數據進行分析處理。在河道排污口安置LoRa終端節點，監管人員無需到達現場，只需通過監測中心Web客戶端的數據分析及報警提醒等即可了解排污口情況。并在實際環境中對系統進行測試分析。測試結果表明，該系統實現了傳輸距離遠、覆蓋范圍廣、功耗低以及監測中心能夠實時獲取監測數據的設計目標。

關鍵詞：物聯網技術;低功耗;LoRa;污水排放監測

中圖分類號：TP23文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-00-03

0 引 言

環境保護是社會的熱點話題，如何進行高效的環境監管是目前監管部門致力解決的難點[1]。一直以來排污口的巡查管理主要依賴于人工巡查，而這種傳統巡查方式人員成本、時間成本高[2-3]。同時違法企業在掌握了人工巡查的時間規律后，往往選擇避開巡視人員的巡查偷偷排放，使污水排放無法實現有效監控[4]。

近幾年來，物聯網技術飛速發展，應用信息化智能管理成為各鄰域的發展趨勢[5-6]。其中具有低功耗、遠距離傳輸特點的LoRa通信技術得到了廣泛應用[7]。本文采用LoRa技術設計開發了城市河道污水排放監測系統，以解決傳統人工巡查方式存在的弊端[8]。

1 監測系統設計

1.1 系統總體設計

本文系統分為感知層、數據傳輸層、網絡層和應用層。LoRa終端節點安裝在河道排污口監管區域，作為感知層，實時采集排污口的信息。LoRa終端節點通過LoRa協議將傳感數據發送到LoRaWAN網關，網關將數據發送到云端服務器。在應用層，監測中心Web客戶端通過云端服務器獲取實時數據，并對數據信息進行分析處理，在網頁上以圖表等直觀形式呈現給管理人員。管理人員通過觀察報警提醒或Web客戶端上記錄的數據變化，能及時掌握排污口情況，節約了管理人員的巡查時間，提高了監管效率。系統總體設計如圖1所示。

1.2 LoRa終端節點設計

終端節點是組成感知層LoRa節點網絡的基本單元，負責數據采集和網關通信。本文系統設計的LoRa終端節點由STM32低功耗微處理器、LoRa通信模塊SX1278、各類傳感器、電池構成。LoRa終端節點結構如圖2所示。

1.3 網關設計

由于LoRaWAN網關是連接終端節點與云端服務器的重要設備，需要強大的運算能力支撐網關。本文選用具有1 GHz主頻和512 MB運行內存的樹莓派處理器[9]，保證了網關并行處理數據的運算能力。網關系統采用的SX1301芯片具有高達-142.5 dBm的接收靈敏度[10]，具有49個虛擬通道以及可采用ADR技術等特點[11]。支持多信道多數據的并行處理，同時可以實現天線分集，有效降低同頻干擾，提高抗干擾能力，實現更遠距離的傳輸[12]。網關采用太陽能供電以提高網關部署的環境適應性、移動便攜性。

1.4 Web客戶端

2 測試結果

2.1 LoRaWAN網關性能測試

LoRaWAN網關作為向下連接LoRa終端節點、向上連接云服務器的中間樞紐，其數據傳輸時的丟包率和傳輸覆蓋范圍是關注的重點。故本文對這兩項指標進行了測試，持續工作周期為30天，分別在空曠地區與密集建筑區進行了測試。

2.1.1 網關系統丟包率測試

2.1.2 網關的覆蓋范圍測試

LoRa通信模塊在戶外的覆蓋范圍對網關系統具有重要意義，分別在開闊地區和密集建筑區進行了測試。如圖5（a）所示，在校區附近開闊地區進行了通信距離測試，網關天線位于A處，在B，C，D三個地點分別進行測試，測試結果見表2所列。

2.2 LoRa終端節點的功耗測試

2.2.1 休眠模式功耗測量

休眠參數是LoRa節點功耗測試的關鍵指標[13]，理論上SX1278的休眠電流為1 μA，STM32L休眠電流為560 nA，其他傳感器設置為無工作時關閉。在實際測試中，LoRa模塊發送數據結束后進入休眠狀態，此時LoRa模塊休眠電流為1.1 μA。

2.2.2 運行模式功耗測量

（1）酸堿度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時間為10 ms，工作電流為34.4 mA;

（2）濁度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時間為10 ms，工作電流為7.76 mA;

（3）溫度傳感器每分鐘喚醒一次，工作時間為10 ms，工作電流為10 mA。

2.3 Web客戶端測試

在Web客戶端的界面地圖上可實時顯示各監測點位置及數據情況，當監測的數據高于預先設定的閾值時，發出報警提醒。Web客戶端地圖顯示如圖6所示。Web客戶端可實現一天、一周、一個月等數據的曲線分析，可直觀看出近期監測點的排污情況，數據曲線如圖7所示。

3 結 語

本文系統為當前的城市污水排放監測提供了一種新型方法，解決了傳統人工巡查方式人員成本、時間成本高和對不良企業偷排現象監管效果差等問題。通過一系列測試，本文系統基本實現了低功耗、遠距離傳輸的設計目標，以及在監測中心Web客戶端實現數據實時顯示和報警提醒等功能，可有效提高監管效率。

參 考 文 獻

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